Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза


Определение 1

Тепловая смерть Вселенной – это ошибочная теория Клаузиуса и Томсона, распространивших законы термодинамики на Вселенную, как целое.

Возможность применения начал термодинамики ограничена в первую очередь рамками самой термодинамики, ее предметом и начальными положениями.

Тепловое движение, исследуемое термодинамикой как наукой, правомерно рассматривать в системах, которые состоят из большого количества частиц. Следовательно, законы термодинамики неприменимы к макросистемам, размеры которых можно сравнивать с размерами молекул. Это определяет нижнюю границу применимости законов термодинамики.

Верхняя граница применимости термодинамических законов связана с ограничением применения термодинамики к системам размеров галактик, поскольку определяющими силами в них являются дальнодействующие силы гравитации. Эти силы ведут к тому, что исходные положения классической термодинамики не выполняются. В результате при отсутствии обобщения исходных термодинамических положений для систем космоса второе начало термодинамики использовать нельзя при рассмотрении больших областей Вселенной и тем более Вселенной как единого целого.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза 470 руб.
  • Реферат Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза 230 руб.
  • Контрольная работа Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза 200 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

М. Планк писал о том, что не имеет смысла говорить об энтропии или энергии мира, поскольку данные параметры в этом случае нельзя даже определить в точности.

Так некритический перенос законов макроскопического опыта на Вселенную привел к антинаучному выводу о «тепловой смерти» Вселенной.

Работы В. Томсона и Р. Клаузиуса о «тепловой смерти Вселенной»

В своей работе «О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии» В. Томсон, принимая за основу второе начало термодинамики, сделал следующие замечания:

  1. В материальном мире механическая энергия постоянно расходуется.
  2. Данную механическую энергию невозможно восстановить какими-либо доступными средствами и методами.
  3. В этой связи Земля находилась некоторое время назад (промежуток времени является конечным) и придет в состояние, при котором она будет непригодна для жизни человека. Если только не будут выполнены меры, которые невозможно реализовать при существующих в настоящее время законах природы.

Из выводов Томсона следует представление о «тепловой смерти» Вселенной. В этом случае должны прекратиться все процессы. Вселенная приходит в состояние термодинамического равновесия. При этом все интенсивные параметры во всех точках Вселенной станут одинаковыми, далее отсутствуют причины, которые могли бы вызывать какие-либо процессы.

Лень читать?

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!

Задать вопрос

В законченном виде гипотеза о «тепловой смерти» Вселенной была сформулирована более ста лет назад в работах Клаузиуса, который распространил законы термодинамики на всю Вселенную.

Р. Клаузиус сформулировал следующее положение:

Теорема 1

Энергия мира остается неизменной. Энтропия Вселенной стремится к наибольшей величине.

Следует заметить, что гипотеза Клаузиуса и Томсона противоречит закону сохранения и трансформации энергии. Закон сохранения говорит не только о том, что невозможно количественно уничтожить движение материи, но и материя не может утратить способность к качественному превращению разных форм перехода разных видов движения.

Часть научного сообщества XIX века выступила против гипотезы Томсона – Клаузиуса.

Большое прогрессивное значение в опровержении гипотезы тепловой смерти Вселенной играли работы Л. Больцмана.

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя. Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Второе начало термодинамики не применимо ко Вселенной как замкнутой системе

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными , вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.

Людвиг Больцман (1844-1906)

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что Вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем Вам успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть Вашей нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты. Учитесь и живите в свое удовольствие!

«Солнце сделается темным, как власяница, и луна не даст света своего… Силы небесные поколеблются и все стихии угаснут…» Эти слова были произнесены около двух тысяч лет назад, в художественных образах описывая, как будет происходить конец времен или тепловая смерть Вселенной. Но прошло восемнадцать веков, пока исследователи подошли к изучению этой проблемы с научной точки зрения. На самом деле, как только человечество открыло для себя основные законы термодинамики, этот вопрос рано или поздно должен был возникнуть. Рассуждая логически, если какой-либо природный принцип действует в замкнутой системе, почему бы не предположить, что эта самая тенденция работает применительно ко всему универсуму?

Впервые гипотеза тепловой смерти Вселенной была выдвинута Уильямом Томпсоном в 1852 году, но позже, в 1865 году, ее более подробно сформулировал Р. Клаузиус. Он экстраполировал на космос второе начало термодинамики. Согласно этому правилу, всякая замкнутая система стремится к равновесию, когда энергия излучения переходит в тепловую. «Смерть» наступает, когда достигается максимальный уровень энтропии. В этот момент никакого обмена энергией не происходит, поскольку вся она переходит в тепло. А поскольку нет оснований предполагать, что кроме космоса существует еще что-либо, то, делает вывод Клаузиус, нашу Вселенную также можно рассматривать как замкнутую систему, и в ней действует тот же закон.

Естественно, ни Томпсон, ни Клаузиус даже не предполагали, что тепловая смерть Вселенной произойдет в скором времени, однако прогнозы даже очень отдаленного конца света наделали много шума в научном сообществе и породили разнообразные опровержения такой гипотезы. Еще в 1872 году ученый Л. Больцман выдвинул теорию флуктуаций. Согласно ей, наша Вселенная слишком огромна и сложна, чтобы умереть такой простой смертью. Она вечно пребывала и будет пребывать в состоянии изотермического равновесия, однако в разных ее частях постоянно происходят и всегда будут происходить отклонения от этого состояния. То есть такие всплески, выбросы энергии не дадут запуститься механизму перевода всей энергии универсума в тепловую.

Современная наука ни подтвердила, ни опровергла гипотезу о том, что тепловая смерть Вселенной неминуемо наступит. Концепция Большого Взрыва, якобы произошедшего около 14 миллиардов лет тому назад и породившего всё, не доказывает еще, что в космосе действует лишь реликтовое излучение. Нужно также учитывать действие переменного гравитационного поля. Особого внимания заслуживает теория А. Фридмана: наполненная тяготеющим веществом Вселенная не стационарна, она или расширяется, или сжимается. А если так, все возрастающая энтропия не приводит систему в целом к термодинамическому равновесию.

Тепловая смерть Вселенной может быть поставлена под вопрос и с позиций общей теории относительности. Мы до сих пор слишком мало знаем о нашем мире, чтобы судить со стопроцентной достоверностью, замкнут ли наш мир и существует ли за его пределами что-то еще. Возможно, на него действуют иные внешние силы и системы? Законы физики, известные нам, не обязательно должны быть применимы в масштабе безграничного космоса, – говорят защитники вечности излучения во Вселенной. Звезды загораются и гаснут, но сама система находится в равновесии, что, однако, не приводит к тепловой смерти всего.

Несмотря на то, что концепция о возможной кончине Вселенной ни подтверждена, ни опровергнута современной наукой, этот вопрос стал волновать не только «физиков», но и «лириков». Особенно черпают вдохновение в возможной гибели всего живого писатели-фантасты. Так, Айзек Азимов предрек в буквальном смысле леденящий конец всякой жизни в своем рассказе «Последний вопрос». Тепловая смерть всей органики легла в основу сюжетов многих японских мультфильмов и аниме-сериалов.

Тепловая смерть Вселенной

Гипотеза Больцмана

В опровержение гипотезы о «тепловой смерти» Вселенной Л. Больцман предложил «флуктуационную» гипотезу. Этот ученый выявил статистическую природу второго начала термодинамики. В соответствии с теорией Больцмана состояние термодинамического равновесия — это только самое встречающееся и самое вероятное состояние термодинамической системы. В равновесной термодинамической системе в любой момент времени, самопроизвольно могут появляться какие угодно большие флуктуации.

Применяя свои выводу к Вселенной, ученый сделал вывод о том, что она пребывает в состоянии термодинамического равновесия, при этом во Вселенной возникают флуктуации.

Огромной флуктуацией является часть Вселенной, в которой находимся мы. Любая флуктуация необходимо исчезнет, но неизбежно появится новая подобная в другом месте Вселенной.

Так, Л. Больцман сделал вывод о том, что одни миры гибнут, другие появляются.

Необратимое увеличение энтропии в замкнутых системах по второму началу термодинамики определяет отличие будущих событий от прошедших. Этот факт натолкнул Больцмана на мысль об использовании второго начала термодинамики для определения роста времени. Ученый полагал, что:

  • время растет в направлении увеличения энтропии в нашей области Вселенной;
  • в той части Вселенной, где идут флуктуации, время следует в обратную сторону.

Против гипотезы Больцмана тоже имелись возражения. Например:

  • бесконечно маленькая вероятность больших флуктуаций;
  • отсутствие в теории специфики Вселенной, как гравитирующей системы.

К лицу ли Вселенной смерть?

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус

Такое событие представляется настолько страшным, что за всю историю человечества его мало кто пытался вообразить — ну или, по крайней мере, не решался поделиться с окружающими этим кошмарным плодом своей фантазии. Ведь даже встречающиеся почти во всех религиях сценарии «конца света» при всём разнообразии имеют одну общую черту: это не конец, а лишь перерождение, преображение мира — и зачастую преображение в лучшую сторону, этакое «светлое будущее».

В общем, довольно долго не находилось человека, который измыслил бы такой сверхужас, как полная и окончательная гибель мира, и рассказал бы о нём людям. Но 2 января 1822 года в Кёслине, Германия, в семье пастора родился Рудольф Готтлиб, сделавший затем блестящую научную карьеру. Не пытайтесь напрягать память, припоминая учёного с таким именем. Готтлиб выбрал себе латинский псевдоним, означающий что-то, связанное со скрытностью, — Клаузиус (латинское слово clausus родственно английскому close и означает «закрытый», «скрытый») и публиковал свои труды под этим именем. Именно он, занимаясь исследованиями тепловых явлений, счёл необходимым ввести новую физическую величину, меру хаоса системы, которую назвал энтропией. И в 1865 году сформулировал принцип, известный сейчас как второе начало термодинамики. Суть его проста: в любых процессах энтропия замкнутой системы не убывает, а при любой передаче тепла от одного тела к другому — возрастает.

Таким образом, любая система рано или поздно достигает состояния, в котором её энтропия максимальна. Это состояние полного термодинамического равновесия. В нем невозможен теплообмен, не может быть совершена механическая работа, в общем не происходит никаких процессов. Вывод получался логичный, соответствующий всем наблюдениям, экспериментам и другим положениям физики, и вполне невинный. Пока Клаузиус не сообразил применить его ко всей Вселенной.

Только представьте себе. В каком-то, пусть и отдалённом, будущем весь мир достигает равновесия. Всё вещество равномерно размазано по Вселенной. Нет никаких объектов: ни звёзд, ни планет, ни даже пылинок, не говоря уже о живых существах. Ничего не происходит, нет никакого движения — кроме бессмысленного теплового хаоса частиц вещества. Никакого шанса на появление чего-то нового. И так будет продолжаться бесконечно долго.

Такая картина полной беспросветности неизбежного будущего привела в ужас не только самого Клаузиуса, но и тех его современников, которые могли понять и оценить его выводы. Не желая смириться с перспективой такой тихой, скучной и унылой гибели мироздания, которая показалась страшнее любой самой масштабной вселенской катастрофы, они начали придираться к рассуждениям Клаузиуса в мелочах. И сгоряча наломали немало дров.

Сначала были предприняты попытки подкопаться под само второе начало термодинамики. Самая известная из них — парадокс Максвелла с придуманным им же «демоном». Идея весьма изящная: разделим сосуд с газом — нашу термодинамическую систему, температура в которой повсюду одинакова, — на две части перегородкой с маленькой-маленькой дверцей. И посадим около этой дверцы весьма смышлёного демона с острым зрением и моментальной реакцией. Молекулы газа, как известно, при любой температуре движутся с разными скоростями, а величина их средней скорости как раз и характеризует температуру газа: чем выше скорость, тем выше температура. Наблюдая за подлетающими к дверце молекулами, демон будет пропускать слева направо только быстрые молекулы, а справа налево — только медленные. Постепенно в левой части сосуда средняя скорость молекул будет снижаться, а в правой — повышаться, и то же самое будет с температурой газа в этих частях. Фокус удался! Замкнутая система перешла из равновесного состояния в неравновесное, энтропия снизилась, а, значит, Клаузиус с его тепловым хоррором ошибается! Мир спасён! Спасён?

Ничего подобного. Для снижения энтропии мы добавили в систему демона. А для того, чтобы он работал, ему нужна энергия, которую он может получить только извне. Система перестаёт быть замкнутой. А если добавить в систему источник энергии демона, то всё встанет на свои места: суммарная энтропия будет расти, а как только энергия демона исчерпается, всё вернётся на круги своя и постепенно вновь достигнет термодинамического равновесия. Интуитивно это было ясно сразу, а в 1929 году Лео Силард точными расчётами подтвердил возрастание суммарной энтропии системы с демоном Максвелла внутри.

Беседа демона Максвелла и кота Шрёдингера

Но, повторюсь, ошибка в парадоксе Максвелла была очевидна ещё во времена Клаузиуса. Второе начало устояло. И тогда Людвиг Больцман — человек, который принимал науку настолько близко к сердцу, что впоследствии покончил с собой из-за непонимания его идей научным сообществом, — предложил оригинальный вариант выхода из положения. Он объявил, что Вселенная уже мертва. Мертва в смысле достижения теплового равновесия. Но в любой термодинамической системе возможны случайные флуктуации, отклонения в небольшой области пространства. Вот в такой флуктуации мы и живём. Планеты, звёзды, галактики — это лишь случайный всплеск в тишине и спокойствии огромного термодинамически мёртвого вселенского «болота».

Это была уже хоть какая-то альтернатива безысходности «тепловой смерти». Вот только она никак не соответствовала картине наблюдаемой Вселенной, которая вовсе не формировалась как какая-то флуктуация на фоне теплового равновесия, а явно расширялась из начального плотного горячего состояния. Расширялась и остывала, стремясь к предсказанному Клаузиусом концу, сводя на нет все усилия физиков обоснованно опровергнуть ожидаемый кошмар.

Как это часто бывает в науке, проблему решил не какой-то конкретный гений. Просто общее понимание картины мира научным сообществом постепенно изменилось. И открылись глаза на вещи, которые из нашего времени кажутся элементарными, чуть ли не на уровне школьных знаний.

Всё дело в том, что Клаузиус выводил второе начало термодинамики не для какой попало системы, а конкретно для замкнутой термодинамической. То есть система должна состоять из большого количества частиц, микроскопические свойства которых не влияют на свойства системы, и в ней должна сохраняться суммарная энергия всех физических тел, входящих в неё. Кроме того, понятие «энтропия» было введено Клаузиусом с использованием понятия температуры, а для этого процессы возрастания энтропии должны проходить так медленно, чтобы в каждый момент систему можно было приближённо считать равновесной.

Так позволяют ли свойства Вселенной применить этот закон ко всему мирозданию в целом? Для того чтобы ответить на этот вопрос, выясним современные представления науки о Вселенной. Для того чтобы узнать о них из первых рук, я обратился к известному российскому астрофизику, доктору физико-математических наук Сергею Борисовичу Попову. Начал издалека, первый мой вопрос касался того, какая модель развития Вселенной сейчас представляется наиболее адекватной. Будет ли она бесконечно расширяться или расширение сменится сжатием, которое вернёт наш мир к его начальному состоянию очень плотному, компактному и горячему? Вот его ответ:

Мы, конечно, точно не знаем, является ли Вселенная бесконечно расширяющейся или пульсирующей. В настоящий момент Вселенная расширяется с ускорением, и важнейшей составляющей, определяющей динамику Вселенной, является «тёмная энергия», природу которой мы пока не знаем. Очень похоже на то, что это просто постоянная в космологическом уравнении, то есть свойство вакуума. Если это так, то Вселенная будет всегда расширяться так, как сейчас, то есть расширяться с ускорением. В будущем далёкие объекты, слабо гравитационно связанные с нашим локальным сверхскоплением галактик, станут для нас принципиально недосягаемы.

Если тёмная энергия — это не космологическая постоянная, а некое поле, которое в будущем может перестать играть роль противовеса гравитации, то остаётся возможность, что Вселенная начнёт сжиматься.

Но является ли Вселенная замкнутой системой? И вообще можно ли так ставить вопрос?

Такая постановка вопроса возможна. Например, Вселенная может иметь конечный трёхмерный объём. С другой стороны, можно при этом интересоваться только той областью, которая нам доступна. Наблюдения показывают, что сейчас для описания свойств наблюдаемой нами области, вопрос о замкнутости или бесконечности не важен

Наконец, я спросил Сергея о его собственном отношении к проблеме «тепловой смерти» Вселенной.

Это не является проблемой ближайшего будущего. А я не строю планы на время, превышающее миллиард лет (и другим не советую).

Но всё-таки пренебрежём этим разумным советом и попробуем понять, как соотносится гипотеза Клаузиуса о «тепловой смерти» с современной научной картиной мира. Итак, является ли наша система термодинамической? Нет ли влияния микроскопических свойств составляющих её частиц на макроскопическое поведение? Есть. Конечно, это свойство трудно назвать «микроскопическим» в привычных для нас масштабах. Но если рассмотреть Вселенную в целом, именно оно действует на уровне отдельных частиц (планет, звёзд, галактик), но при этом определяет динамику системы в целом. Наверное, кто-то уже догадался, что я говорю о гравитации.

Её наличие и определяющее влияние на судьбу мироздания и выводит Вселенную из разряда термодинамических систем. А, значит, законы термодинамики ко всему миру в целом применять нельзя. И это первое возражение против гипотезы «тепловой смерти».

Затем замкнутость системы предполагает отсутствие притока энергии. Разумеется, внешнего притока энергии быть не может — неоткуда. Но и рассматривать весь мир как замкнутую систему, как мы поняли, нельзя. А та самая «тёмная энергия» как раз и представляет собой такой внутренний приток, нарушающий закон сохранения энергии для Вселенной в целом — либо постоянный, если это космологическая константа, либо продолжающийся до трансформации неизвестного пока поля. Причём первое — вероятнее. Таким образом, второе возражение Клаузиусу состоит в том, что полная энергия Вселенной не остаётся постоянной.

Далее возникает вопрос, можно ли вообще говорить об энтропии Вселенной в целом. Ведь при введении этой физической величины Клаузиус пользовался понятием температуры системы. Значит, мы должны иметь возможность говорить о температуре Вселенной. А для этого процессы, происходящие в ней, должны носить квазистационарный характер. То есть произошедшее в каком-то месте изменение состояния должно успевать распространиться по всему объёму Вселенной раньше, чем произойдёт новое заметное изменение в начальной точке. Ничего подобного мы не наблюдаем в ускоренно расширяющемся мире, где нас ожидает даже полная потеря досягаемости достаточно удалённых частей Вселенной, не говоря уже о «выравнивании» термодинамических характеристик по всему её объёму. То есть третья претензия к гипотезе Клаузиуса состоит в том, что корректно ввести понятие энтропии Вселенной по-старому невозможно. А если придумать для мироздания какую-то новую «энтропию», то она вовсе не обязана подчиняться второму началу, доказанному для прежней величины с таким же названием.

Наконец, четвёртое возражение. Никто из ранних критиков Клаузиуса не задался вопросом: допустим, энтропия системы действительно постоянно возрастает. Обязательно ли она в какой-то момент достигнет максимального значения? Взгляните на довольно простую функцию y=x/(x+1). Представим, что каждую секунду икс увеличивается на единицу. Тогда и игрек будет постоянно увеличиваться — проверьте! но при этом никогда не достигнет максимума. Между значением игрека и единицей всегда будет какой-то «зазор». Ничто не мешает и энтропии Вселенной, даже если три предыдущих возражения оказались бы несостоятельными, таким же образом постоянно возрастать, но вовсе не достигать никакого максимума. Да, конечно, «зазор», остающийся для физических процессов будет становиться все меньше и меньше, и в какой-то момент в далёком будущем все события будут происходить крайне медленно, с гораздо меньшей энергией процессов, размазанной по гораздо большему объёму мироздания. Однако в этом ничего необычного нет, ведь и современные события происходят с неизмеримо меньшей интенсивностью и скоростью по сравнению с тем же периодом инфляционного расширения Вселенной — но это же не повод говорить, что сейчас жизнь Вселенной замерла!

Эти четыре довода против концепции Клаузиуса позволяют с определённостью сказать: слухи о грядущей «тепловой смерти» мира сильно преувеличены. Самая ужасная перспектива будущего — не более чем фантазия, нет причин беспокоиться, что она может реализоваться. В отличие от других, гораздо более реальных, угроз, о которых можно прочесть в соседних материалах.

Вездесущая энтропия: от смерти Вселенной до груды грязной посуды

«Все процессы в мире происходят с увеличением энтропии» — эта расхожая формулировка превратила энтропию из научного термина в какое-то непреложное свидетельство обреченной борьбы человека с окружающим его беспорядком. Но что в оригинале скрывается за этой физической величиной? И как можно посчитать энтропию? «Теории и практики» попытались разобраться в этом вопросе и найти спасение от надвигающегося распада.

Впервые термин «энтропия» в 1865 году ввел немецкий физик Рудольф Клаузиус. Тогда он имел узкое значение и использовался в качестве одной из величин для описания состояния термодинамических систем — то есть, физических систем, состоящих из большого количества частиц и способных обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Проблема заключалась в том, что до конца сформулировать, что именно характеризует энтропия, ученый не смог. К тому же, по предложенной им формуле можно было определить только изменение энтропии, а не ее абсолютное значение.
Упрощенно эту формулу можно записать как dS = dQ/T. Это означает, что разница в энтропии двух состояний термодинамической системы (dS) равна отношению количества тепла, затраченного на то, чтобы изменить первоначальное состояние (dQ), к температуре, при которой проходит изменение состояния (T). Например, чтобы растопить лед, нам требуется отдать ему некоторое количество тепла. Чтобы узнать, как изменилась энтропия в процессе таяния, нам нужно будет поделить это количество тепла (оно будет зависеть от массы льда) на температуру плавления (0 градусов по Цельсию = 273, 15 градусов по Кельвину. Отсчет идет от абсолютного нуля по Кельвину ( — 273° С ), поскольку при этой температуре энтропия любого вещества равна нулю). Так как обе величины положительны, при подсчете мы увидим, что энтропии стало больше. А если провести обратную операцию — заморозить воду (то есть, забрать у нее тепло), величина dQ будет отрицательной, а значит, и энтропии станет меньше.

Примерно в одно время с этой формулой появилась и формулировка второго закона термодинамики: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться». Выглядит похоже на популярную фразу, упомянутую в начале текста, но с двумя важными отличиями. Во-первых, вместо абстрактного «мира» используется понятие «изолированная система». Изолированной считается та система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Во-вторых, категорическое «увеличение» меняется на осторожное «не убывает» (для обратимых процессов в изолированной системе энтропия сохраняется неизменной, а для необратимых — возрастает).

За этими скучноватыми нюансами скрывается главное: второй закон термодинамики нельзя без оглядки применять ко всем явлениям и процессам нашего мира. Хороший тому пример привел сам Клаузиус: он считал, что энтропия Вселенной постоянно растет, а потому когда-нибудь неизбежно достигнет своего максимума — «тепловой смерти». Этакой физической нирваны, в которой не протекают уже никакие процессы. Клаузиус придерживался этой пессимистической гипотезы до самой смерти в 1888 году — на тот момент научные данные не позволяли ее опровергнуть. Но в 1920-х гг. американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что Вселенная расширяется, а значит, ее

сложно назвать изолированной термодинамической системой. Поэтому современные физики к мрачным прогнозам Клаузиуса относятся вполне спокойно.

Поскольку Клаузиус так и не смог сформулировать физический смысл энтропии, она оставалась абстрактным понятием до 1872 года — пока австрийский физик Людвиг Больцман не вывел новую формулу, позволяющий рассчитывать ее абсолютное значение. Она выглядит как S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, имеющая неизменное значение, W — статистический вес состояния). Благодаря этой формуле энтропия стала пониматься как мера упорядоченности системы.

Как это получилось? Статистический вес состояния — это число способов, которыми можно его реализовать. Представьте рабочий стол своего компьютера. Сколькими способами на нем можно навести относительный порядок? А полный беспорядок? Получается, что статистический вес «хаотичных» состояний гораздо больше, а, значит больше и их энтропия. Посмотреть подробный пример и рассчитать энтропию собственного рабочего стола можно здесь.

В этом контексте новый смысл приобретает второй закон термодинамики: теперь процессы не могут самопроизвольно протекать в сторону увеличения порядка. Но и тут не стоит забывать про ограничения закона.

Иначе человечество уже давно было бы в рабстве у одноразовой посуды. Ведь каждый раз, когда мы моем тарелку или кружку, нам на помощь приходит простейшая самоорганизация. В составе всех моющих средств есть поверхно-активные вещества (ПАВ). Их молекулы составлены из двух частей: первая по своей природе стремится к контакту с водой, а другая его избегает.

При попадании в воду молекулы «Фэйри» самопроизвольно собираются в «шарики», которые обволакивают частички жира или грязи (внешняя поверхность шарика это те самые склонные к контакту с водой части ПАВ, а внутренняя, наросшая вокруг ядра из частички грязи — это части, которые контакта с водой избегают). Казалось бы, этот простой пример противоречит второму закону термодинамики. Бульон из разнообразных молекул самопроизвольно перешел в некое более упорядоченное состояние с меньшей энтропией. Разгадка снова проста: систему «Вода-грязная посуда после вечеринки», в которую посторонняя рука капнула моющего средства, сложно считать изолированной.

Со времен появления формулы Больцмана термин «энтропия» проник практически во

все области науки и оброс новыми парадоксами. Возьмем, к примеру астрофизику и пару «черная дыра — падающее в нее тело». Ее вполне можно считать изолированной системой, а значит, ее энтропия такой системы должна сохраняться. Но она бесследно исчезает в черной дыре — ведь оттуда не вырваться ни материи, ни излучению. Что же происходит с ней внутри черной дыры?

Некоторые специалисты теории струн утверждают, что эта энтропия превращается в энтропию черной дыры, которая представляет собой единую структуру, связанную из многих квантовых струн (это гипотетические физические объекты, крошечные многомерные структуры, колебания которых порождают все элементарные частицы, поля и прочую привычную физику). Впрочем, другие ученые предлагают менее экстравагантный ответ: пропавшая информация, все-таки возвращается в мир вместе с излучением, исходящим от черных дыр.

Еще один парадокс, идущий вразрез со вторым началом термодинамики — это существование и функционирование живых существ. Ведь даже живая клетка со всеми ее биослоями мембран, молекулами ДНК и уникальными белками — это высокоупорядоченная структура, не говоря уже о целом организме. За счет чего существует система с такой низкой энтропией?

Этим вопросом в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» задался знаменитый Эрвин Шредингер, создатель того самого мысленного эксперимента с котом: «Живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается».

Точнее организм питается углеводами, белками и жирами. Высокоупорядоченными, часто длинными молекулами со сравнительно низкой энтропией. А взамен выделяет в окружающую среду уже гораздо более простые вещества с большей энтропией. Вот такое вечное противостояние с хаосом мира.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: